Совершенствование очесывающей жатки с помощью метода «ФСА+ТРИЗ»
© Александр Скуратович, Петр Чуксин, Николай Шпаковский.
Одним из перспективных направлений развития технологии уборки зерновых культур является метод очесывания растений. Суть его заключается в том, что от растений отделяются и подаются в молотильный аппарат комбайна только колосья с зерном, а стебли растений остаются на поле, на корню.
Для этого на комбайн, вместо обычной жатки, устанавливается очесывающая жатка, рабочий орган которой – вращающийся ротор с зубьями специальной формы (см. рис. 1).
При поступательном движении комбайна, зубья вращающегося ротора прочесывают растения снизу вверх, и отрывают колосья от стеблей.
Рис 1. Принцип действия очесывающей жатки британской компании Shelbourne Reynolds [1].
Уборка зерновых культур методом очеса позволяет сэкономить до 70% энергии, которую комбайн расходует на деформацию соломы в молотилке. Производительность уборки повышается в 2-3 раза, в полтора раза снижается расход топлива.
Сегодня в мире производством очесывающих жаток занимаются несколько компаний.
Очесывающая жатка компании Massey Ferguson [2]
Очесывающая жатка британской компании Shelbourne Reynolds [3]
Очесывающего жатка Озон-4 Пензенский машиностроительный завод, ОАО «ПЕНЗМАШ» [4]
Очесывающая жатка ОКД-4 Красноярский завод комбайнов [5]
В Белорусском НПО «Белсельхозмеханизация» тоже проводились исследования по технологии уборки зерновых культур методом очесывания растений. В результате этих исследований была разработана оригинальная очесывающая жатка транспортерного типа. Конструкция этой жатки защищена несколькими авторскими свидетельствами и патентами. Жатка устанавливалась на зерноуборочный комбайн СК-5 «Нива» и испытывалась на государственной испытательной станции (см. рис.2) [6], [7].
Рис.2. Очесывающая жатка на комбайне СК-5 «Нива».
Испытания показали, что очесывающая жатка транспортерного типа, в отличие от очесывающих жаток других производителей, обладала несколькими важными достоинствами:
- наличие у жатки специального органа (питателя) позволяет поднимать с земли полеглые растения и подавать их к очесывателю;
- очесыватель транспортерного типа позволяет обрывать колосья, бобы или метелки растений разной длины – от 0,1 до 1,8 метра.
В тоже время у жатки были выявлены существенные недостатки, без устранения которых нельзя было приступать к ее серийному производству:
- большой вес: жатка получилась тяжелой (2130 кг) и комбайн с трудом ее поднимал, а нагрузка на переднюю ось комбайна превышала допустимые нормы;
- большие габариты: жатка закрывала комбайнеру обзор. Комбайнер не видел на какой высоте по отношению к колосьям растений был установлен питатель, неправильная установка питателя по высоте приводила к потерям зерна;
- потери зерна составляли 4,5 — 9% и превышали допустимый уровень 2,5 – 3,5%.
Попытки разработчиков устранить недостатки и улучшить конструкцию жатки путем применения известных конструкторских методов не давали нужного результата. Поэтому было решено попробовать улучшить жатку с помощью метода «ФСА+ТРИЗ».
Метод «ФСА+ТРИЗ» является одним из наиболее эффективных методов совершенствования технических систем при их проектировании и модернизации. Он основан на объединении инструментов анализа технических систем взятых из метода функционально-стоимостного анализа (ФСА) и инструментов решения задач из теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) [8], [9], [10].
Метод «ФСА+ТРИЗ» позволяет провести системный анализ исследуемого объекта, выявить и устранить его недостатки, найти резервы повышения главных показателей, устранить избыточные затраты, дать достоверный прогноз развития.
Для проведения работ, предусмотренных методом «ФСА+ТРИЗ», была создана временная исследовательская рабочая группа. В ее состав входили: специалист по методу «ФСА+ТРИЗ», специалисты по технологии уборки зерновых культур методом очеса, инженеры-конструкторы, инженер-технолог, патентовед. Все они были ознакомлены с конструктивными особенностями и работой очесывающей жатки. Однако, только два человека были обучены методам ФСА и ТРИЗ. Обучать группу основам ФСА и ТРИЗ было некогда. На получение предложений по улучшению жатки отводился краткий срок. Складывалась противоречивая ситуация — работу должны были выполнить быстро и качественно люди не знающие методики ее выполнения.
Решили совместить процесс обучения группы с процессом анализа жатки. В начале каждой рабочей встречи часть времени отводилась для обучения следующему шагу анализа по методу «ФСА+ТРИЗ», а затем группа применяла эти знания для анализа жатки.
Положительным эффектом стало то, что эти же конструкторы и технолог в последствии разрабатывали конструкторскую документацию на новую жатку и им не нужно было тратить время на изучение ее конструкции и принципа работы. Они хорошо знали и понимали требования, предъявляемые к жатке, и воплощали в чертежах идеи и предложения, соавторами которых являлись.
Анализ конструкции жатки
Очесывающая жатка транспортерного типа предназначена для обрыва колосьев растений и подачи их к молотильному аппарату комбайна. Она состоит из следующих основных узлов (компонентов): питатель, очесыватель транспортерного типа, корпус, крыша, битер, сборная камера, шнек, наклонная камера, приводной механизм (на рисунке не показан) (см. рис 3).
Рис.3. Конструктивная схема очесывающей жатки транспортерного типа.
Питатель — это вращающаяся металлическая труба с упругими пальцами, благодаря которым питатель захватывает и подает растения к очесывателю. Наличие питателя позволяет жатке поднимать и очесывать полеглые растения и тем самым снижать потери урожая. Высота установки питателя относительно очесывателя и почвы может изменяться и зависит от высоты и состояния растений на поле.
Очесыватель транспортерного типа – это широкая резиновая лента с закрепленными на ней очесывающими зубьями специальной формы (см. рис. 1), одетая на два вращающихся вала. Во время работы жатки, лента вращается с большой скоростью, зубья отрывают колосья от стеблей и перемещают их в сборную камеру.
Корпус очесывающей жатки представляет собой сварную металлическую конструкцию, задняя часть которой образует сборную камеру для оборванных колосьев и выбитых зерен. Корпус предназначен для размещения и закрепления на нем всех узлов очесывающей жатки и придания ей необходимой жесткости и прочности. Кроме того, боковины корпуса удерживают оборванные колосья и выбитые зерна внутри жатки.
Крыша служит для удержания и направления оборванных колосьев и выбитых зерен в сборную камеру. Крыша жестко крепится к корпусу и имеет люк, открывающий доступ к узлам жатки. Передняя стенка крыши, питатель, очесыватель и корпус образуют замкнутую камеру для очеса растений.
Битер — это металлический вращающийся четырехлопастной вал. Он предназначен для съема колосьев и стеблей, застрявших в зубьях очесывателя и предотвращения их нависания на передней стенке сборной камеры.
Шнек размещается на дне сборной камеры. Он собирает оборванные колосья и выбитые зерна к центру очесывающей жатки и подает их в наклонную камеру комбайна.
Наклонная камера перемещает ворох из оборванных колосьев, стеблей и выбитых зерен к молотильному аппарату комбайна.
Приводной механизм крепится на корпусе очесывающей жатки и передает крутящий момент от комбайна к питателю, очесывателю, битеру и шнеку.
Принцип работы очесывающей жатки.
Комбайн с очесывающей жаткой движется по полю. Вращающийся питатель сдвигает и уплотняет стебли растений, захватывает их упругими пальцами и перемещает к очесывателю (см.рис. 3).
Зубья очесывателя, двигаясь с большой скоростью, прочесывают растения снизу вверх. При этом стебли растений собираются у оснований зубьев, имеющих форму замочной скважины (см. рис. 1.) и зубья, встречаясь с колосьями растений, обрывают их. При обрыве часть зерен выбивается из колоса. Выбитые зерна и оборванные колосья переносятся зубьями вверх и сбрасываются в сборную камеру.
Колосья и обрывки стеблей, застрявшие в зубьях очесывателя, снимаются вращающимся битером и также сбрасываются в сборную камеру. Шнек, расположенный на дне сборной камеры, сдвигает оборванную массу к середине сборной камеры. Транспортер наклонной камеры захватывает массу и переносит ее к молотильному аппарату комбайна.
Структурный анализ очесывающей жатки помог выявить и описать все существенные связи между узлами жатки и объектами ее надсистемы – почвой, растениями, колосьями, комбайном (см. рис. 4).
Рис.4. Структурная модель очесывающей жатки.
Каждая связь была описана по следующему шаблону, например:
Взаимодействующие узлы: Колосья – Очесыватель.
Полезное действие: Зубья очесывателя отрывают колосья от стеблей, перемещают и сбрасывают их в сборную камеру.
Нежелательный эффект (НЭ): Часть колосьев застревает в зубьях очесывателя и выносится обратной стороной очесывателя на поле.
Задача (или предварительное предложение) по устранению НЭ:
Требуется предотвратить вынос колосьев зубьями очесывателя на поле, сохранив их полезные действия — отрыв колосьев от стеблей и перенос их в сборную камеру.
Анализ связей помог разобраться в устройстве жатки, взаимодействии ее частей и позволил выявить и систематизировать множество нежелательных эффектов. Вот только основные из них:
НЭ1. Питатель вносит свой вклад в большие потери зерна тем, что уплотняет стоящие растения, цепляет их, подгибает и протаскивает под собой, чтобы подать к очесывателю. Каждое такое действие питателя приводит к лишнему тереблению растений и преждевременному выпадению части самых зрелых зерен из колосьев.
НЭ2. Для вращения питателя, между его поверхностью и стенкой крыши образован зазор, через который возможен вынос выбитых зерен из камеры очеса наружу.
НЭ3. Сложная конструкция и большой вес питателя. Питатель представляет собой металлическую трубу большого диаметра, внутри которой с некоторым осевым смещением расположен вал с упругими пальцами. При вращении питателя упругие пальцы выступают из нижней части трубы, захватывают растения, подтягивают их к очесывателю и опять прячутся в трубу. Такая сложная конструкция питателя была сделана для того, чтобы предотвратить вынос колосьев и выбитых зерен через прорези в передней стенке крыши.
НЭ4. Большая высота очесывателя, а следовательно и всей жатки делает невозможным обзор переднего края жатки из кабины комбайна. Кроме того, очесыватель много весит.
НЭ5. Очесыватель сбрасывает в сборную камеру не все колосья, часть из них цепляется за зубья очесывателя и выносится на поле.
НЭ6. Битер плохо удаляет застрявшие колосья и стебли растений с зубьев очесывателя. Плоские лопатки битера находятся на некотором минимальном расстоянии от зубьев очесывателя, но не могут зацепить колосья и стебли, застрявшие между зубьями очесывателя.
Если лопатки битера сделать зубчатыми и расположить их так, чтобы они проходили между зубьями очесывателя, то застрявшие колосья будут удаляться лучше. Но в этом случае придется увеличить зазор между лопатками битера и стенкой сборной камеры, что в свою очередь, может привести к еще большим потерям зерна.
Чтобы не увеличивать зазор между лопатками битера и стенкой сборной камеры, край стенки сборной камеры можно сделать зубчатым, но тогда за него будут цепляться оборванные колосья и стебли, они будут накапливаться и сбрасываться на поле зубьями битера.
НЭ7. Необходимость использования битера приводит к образованию большого зазора между очесывателем и передней стенкой сборной камеры, что приводит к дополнительным потерям зерна и колосьев.
НЭ8. Металлическая крыша, направляющая оторванные колосья и зерна к сборной камере, сварена из листового металла, имеет большие размеры, вес и не является жесткой конструкцией. Это затрудняет ее открывание при обслуживании жатки.
НЭ9. Расположение тяжелого приводного механизма с одной стороны жатки вызывает ее перекос на одну сторону.
Каждый нежелательный эффект — это задача, решение которой открывает возможности для улучшения конструкции жатки.
Системный анализ взаимодействий между узлами жатки и объектами ее надсистемы позволил не только выявить множество нежелательных эффектов, но и позволил сформулировать предварительные предложения по улучшению конструкции жатки, например:
Предварительное предложение по устранению НЭ4.
В результате анализа истории создания очесывающей жатки выснилось, что большая высота очесывателя была целесообразна в предыдущих конструкциях жатки. Тогда не было питателя и очесыватель должен был быть способен обрывать колосья с растений высотой до 1,8 метров. Введение в конструкцию жатки питателя изменило характер взаимодействия растений с очесывателем. Питатель захватывал растения любой высоты и перемещал их к очесывателю, поэтому необходимость в большой высоте очесывателя отпала.
Однако, при проектировании очередной очесывающей жатки это обстоятельство было упущено и высоту очесывателя сохранили прежней. В результате новая жатка опять получилась высокой и закрывала комбайнеру обзор.
После несложных расчетов, оказалось, что высоту очесывателя можно уменьшить на 375 мм!
Внедрение этого предложения позволило полностью устранить НЭ4.
На основе информации, полученной во время проведения компонентного и структурного анализов, были сформулированы главная функция очесывающей жатки и главные функции ее основных узлов (см. Таблицу 1). Определение рангов функций узлов жатки проводилось в соответствии с правилами изложенными в работе [11].
Очесывающая жатка является частью зерноуборочного комбайна. В комбайне осуществляется процесс отделения зерна от растений. Поэтому назначение комбайна – получить зерно. В процессе получения зерна, действие жатки направлено на колосья растений. Жатка отделяет колосья от стеблей и перемещает их к молотилке комбайна.
В момент отрыва колосьев от стеблей часть зерен выбивается. И вот эту массу из колосьев и выбитых зерен надо переместить к молотилке комбайна. Поэтому, формулировка главной функции очесывающей жатки – «перемещать оборванные колосья и выбитые зерна к молотилке комбайна».
Таблица 1. Функциональная модель очесывающей жатки.
Формулировка главной функции системы
перемещать оборванные колосья и выбитые зерна к молотилке комбайна
Источник
